Il nuovo microcontrollore ESP32-S2

La Espressif, la società che ha creato i famosi microcontrollori di successo ESP8266 ed ESP32, ha annunciato il rilascio di ESP32-S2. Si tratta di un microcontrollore con Wi-Fi a 2.4 GHz altamente integrato a bassa potenza che supporta Wi-Fi HT40. Dispone di ben 43 porte GPIO (General Purpose Input/Output). E' basato su un processore single-core LX7 a 32 bit Xtensa e può essere overcloccato tranquillamente sino alla frequenza di 240 MHz.

Introduzione

L'annuncio del nuovo microcontrollore è stato molto apprezzato dalla comunità elettronica, specialmente dallo staff di Elettronica Open Source. Il dispositivo è, infatti, a noi estremamente vicino e caro in quanto il sistema ESPertino è interamente basato sull'ottimo prodotto della Espressif, il microcontrollore ESP32. Scopriamo assieme, dunque, le novità della nuova MCU, che si preannunciano molto interessanti, specialmente se messe in confronto con i vari modelli (vedi Figura 1). L'ESP32-S2 completa, in questo modo, la famiglia delle MCU per la connettività Wi-Fi con i modelli ESP8266 ed ESP32. Il nuovo ESP32-S2 si piazza, per prestazioni, tra l'ESP8266 e l'attuale ESP32 nella linea di prodotti della Espressif. Ad ogni modo, esso risulta molto più potente dell'ESP8266. Chissà se in un prossimo futuro, la scheda di sviluppo ESPertino, prodotta da Elettronica Open Source, cambierà il proprio motore.

Figura 1: tabella comparativa tra ESP32-S2 e ESP32

Figura 1: tabella comparativa tra ESP32-S2 ed ESP32

Nel frattempo, la Espressif sta distribuendo un numero limitato di campioni dell'ESP32-S2 Beta-DevKitC V1.1 ai clienti e ai membri della comunità, in modo da permettere loro l'esplorazione iniziale del nuovo microcontrollore (vedi Figura 2). Si tratta di una piccolissima scheda di sviluppo, appositamente studiata per la sperimentazione, con passo compatibile a quello di una breadboard. Con essa si può subito intraprendere la progettazione e lo sviluppo di applicazioni, senza preoccuparsi delle esigenze RF o del design e della realizzazione di antenne. Il sistema di sviluppo possiede già i requisiti adatti e non è necessaria alcuna aggiunta esterna di tipo hardware. E' sufficiente collegare il cavo USB al personal computer e si può subito iniziare a programmare.

Figura 2: l'ESP32-S2 Beta-DevKitC V1.1 in distribuzione

Il chip beta ESP32-S2 non è lo stesso dell'ESP32-S2 finale. Il chip Beta è solo un campione di prova e, di conseguenza, non tutte le funzionalità sono disponibili. Il supporto software è ancora in fase di sviluppo prima della versione finale di ESP32-S2. Alcune delle altre limitazioni sono le seguenti:

la periferica USB OTG a piena velocità non è ancora supportata;
i driver delle periferiche sono ancora in fase di sviluppo;
non è disponibile alcuna modalità di risparmio energetico;
non è disponibile alcuna funzionalità di sicurezza hardware o di supporto dell'acceleratore crittografico;
le misurazioni del tempo di volo (TOF) con i normali pacchetti Wi-Fi non sono ancora supportate.

Maggiore sicurezza

Rispetto all'ESP32 ci sono alcune differenze. La versione S2 non è così potente come il precedente ESP32. Il nuovo microcontrollore dovrebbe essere utilizzato, come scopo principale, per una connessione Wi-Fi protetta e per la comunicazione con il server e il cloud, ma risulterebbe più economico. ESP32-S2 utilizza un core Xtensa LX7 a singolo core con velocità fino a 240 MHz, mentre l'ESP32 utilizza un LX6 a singolo o dual core. Le differenze tra questi non sono molto note, ma sembra che il core LX7 sia capace di molte più operazioni in virgola mobile per ciclo: 2 FLOP/ciclo per LX6 e 64 FLOP/ciclo per LX7. Questa potenza è adatta ai DSP e ad altre applicazioni computazionalmente più pesanti. Inoltre il chip include 320 kb SRAM, 128 kb ROM e 16 kb di memoria RTC.

Creato su misura per l'Internet delle Cose

Con le nuove funzionalità di gestione dedicate all'alimentazione e alla RF di ultima generazione, le funzioni di I/O e il supporto per la sicurezza, l'ESP32-S2 è la scelta ideale per la realizzazione di applicazioni IoT (Internet delle Cose) basate sulla connettività, tra cui le abitazioni intelligenti e i dispositivi indossabili. Con un core Xtensa integrato a 240 MHz, ESP32-S2 è sufficiente, da solo, per creare sofisticati dispositivi senza richiedere ulteriori MCU esterne. E' possibile utilizzare, con successo, il framework di sviluppo software di Espressif (ESP-IDF), raggiungendo un ottimo equilibrio tra le prestazioni finali e i costi e offrendo soluzioni di connettività IoT più veloci e più sicure.

Alcune caratteristiche tecniche

Le caratteristiche del nuovo microcontrollore sono di tutto rispetto. Vediamole velocemente nell'elenco seguente:

microcontrollore LX7 Xtensa a 32 bit single-core;
microcontrollore Cadence Xtensa single-core 32-bit LX7 overcloccabile fino a 240 MHz;
co-processore a bassissimo assorbimento;
pipeline a 7-stage;
frequenza del clock fino a 240 MHz;
co-processore a bassissimo consumo;
320 kb SRAM, 128 kb ROM, 16 kb di memoria RTC;
supporto SPIRAM esterno (128 Mb totale);
fino a 1 Gb di supporto flash esterno;
cache dei dati e cache istruzioni separate;
Wi-Fi 802.11 b/g/n;
trasmissione e ricezione 1x1;
supporto HT40 con velocità dati fino a 150 Mbps;
supporto per reti TCP/IP, reti ESP-MESH, TLS 1.0, 1.1 e 1.2 e altri protocolli di rete tramite Wi-Fi;
supporto delle misurazioni del tempo di volo (TOF) con i normali pacchetti Wi-Fi;
manca il supporto Bluetooth;
ben 43 GPIO programmabili;
14 I/O capacitivi touch-sensing;
periferiche standard: SPI, I2C, I2S, UART, ADC/DAC e PWM;
interfaccia LCD (8-bit in parallelo RGB/8080/6800) e supporto per 16/24-bit in parallelo;
interfaccia fotocamera con supporto del sensore d'immagine DVP a 8 o 16 bit, con frequenza di clock fino a 40 MHz;
supporto USB OTG veloce;
dimensioni 7x7 mm in package QFN;
avvio sicuro dell'applicazione basato su RSA-3072;
crittografia flash basata su AES256-XTS per proteggere i dati sensibili a riposo;
memoria eFUSE a 4096 bit con 2048 bit disponibili per l'applicazione;
unità di firma digitale per l'archiviazione sicura di chiavi private e generazione di firme RSA;
consumo energetico ottimale;
ESP32-S2 supporta il controllo dell'alimentazione a risoluzione fine attraverso una selezione di frequenza di clock, duty cycle, modalità operative Wi-Fi e controllo della potenza dei suoi componenti interni;
quando il Wi-Fi è abilitato, il chip accende o spegne automaticamente il ricetrasmettitore RF solo quando è necessario, riducendo così il consumo energetico complessivo del sistema;
il co-processore ULP consuma meno di 5 uA di corrente in modalità idle e 24 uA con duty cycle dell'1%;
è stato migliorato il consumo energetico in modalità di connessione Wi-Fi e MCU-idle.

Sviluppo di software

L'ESP32-S2 supporta il framework di sviluppo software di Espressif (ESP-IDF). Si tratta di una piattaforma matura e pronta per la produzione, già utilizzata per milioni di dispositivi. La disponibilità di connettività cloud riduce il tempo di commercializzazione delle applicazioni prodotte. Il microcontrollore offre una soluzione di connettività Wi-Fi universale per una varietà di applicazioni, da quelle medie per il consumatore finale a quelle industriali. Inoltre, la potenza di calcolo e l'espandibilità della memoria lo rendono adatto anche per semplici applicazioni ML-on-Edge. Sebbene possa prevedere un numero infinito di utilizzi, quelli principali sono elencati di seguito.

Connettività Smart-Home

Il campo d'applicazione di tale settore è molto vasto: si spazia da soluzioni semplici, come lampadine, serrature per porte intelligenti, prese intelligenti ed elettrodomestici da cucina, dispositivi over-the-top (OTT) e dispositivi di streaming video come, ad esempio, telecamere di sicurezza. È possibile collegare la telecamera attraverso l'interfaccia DPV a 8 o 16 bit, con frequenza fino a 40 MHz. Supporta il Mesh Network che può essere applicato a soluzioni d'illuminazione commerciale e smart-home su larga scala. Permette l'interfacciamento efficiente con un'ampia gamma di sensori, per qualsiasi esigenze di diversi scenari di smart-home. E', inoltre, possibile collegare un LCD con interfaccia parallela RGB/8080/6800 a 8 bit e parallela a 16 o 24 bit.

Dispositivi a batteria

Anche questo settore è enorme. Il punto cruciale è quello di ottenere una maggiore autonomia possibile abbassando, drasticamente, il consumo di corrente. E' possibile realizzare sensori Wi-Fi collegati, giochi Wi-Fi, dispositivi indossabili e sistemi sanitari. Il piccolo contenitore QFN da 7 mm x 7 mm risulta proprio ideale per i dispositivi indossabili. Il basso consumo energetico e la modalità d'ibernazione, inferiore a 5 uA, consentono la costruzione di dispositivi alimentati a batteria a lunga durata oppure in standby. QSPI/OPI supporta più chip flash/SRAM per la configurazione flessibile di NVM e l'archiviazione di dati volatili.
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